EP0805362A2 - Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte - Google Patents

Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte Download PDF

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EP0805362A2
EP0805362A2 EP97100308A EP97100308A EP0805362A2 EP 0805362 A2 EP0805362 A2 EP 0805362A2 EP 97100308 A EP97100308 A EP 97100308A EP 97100308 A EP97100308 A EP 97100308A EP 0805362 A2 EP0805362 A2 EP 0805362A2
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    • G01S13/933—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of aircraft or spacecraft

Definitions

  • Natural vision, low light intensifiers or night vision devices are often not sufficient to reliably detect obstacles that can be dangerous to the pilot of a low-flying aircraft or vehicle.
  • High-resolution, imaging distance image sensors based on laser radar also provide obstacle information. The problem is the evaluation and ergonomically optimal presentation of this additional information as part of an overall system for obstacle warning for the manually flying pilot.
  • a particularly important class of obstacles are cables.
  • the object of the invention is to support the pilot in the safe detection of obstacles.
  • the obstacle warning system consists of a base sensor (possibly with residual light amplifier, night vision device), a distance image sensor, an evaluation computer for distance image processing, a display with a fade-in function for a second image for the base image (e.g. head-up display, helmet-mounted display) and optionally one Navigation system.
  • Fig. 1 shows these system components including their inputs and outputs.
  • the obstacle information additionally generated by the distance image sensor is superimposed on it.
  • this additional information is not alphanumeric, symbolic or otherwise abstracted, but consists of the real, one-dimensional edge contours of the detected obstacles with which the obstacle contours, which may be less well represented in the basic image, are traced.
  • the obstacle warning system completes the basic image, according to which the pilot is flying or driving, through the edge contours of the obstacles in the distance image.
  • the additional sensor is a distance image sensor. Because only the distance image allows the robust extraction of contours of any obstacles in real time. To do this, it is sufficient to look for "jumps" between neighboring image pixels in the distance image. A continuously running terrain, for example, has no such jumps. Any obstacle in the terrain, on the other hand, leads to a jump in the distance measurement value at its edge (FIG. 2). Obstacle contours can therefore be extracted in the distance image using high-pass images.
  • the correct position of the obstacle contour in the basic image can be calculated at any time from its position in the distance image, taking into account the course of movement of the vehicle or aircraft in all six degrees of freedom. All that is required is to implement appropriate software in the evaluation computer.
  • the distance image sensor generally generates its image by means of a vertical or horizontal scan, ie the image is built up in rows or columns over time. For this reason, only those obstacle contours that appear in the currently generated distance image line are shown in the base image, for example in the case of a vertical scan. Their position in the base image is known because of the very short dead time between the detection in the distance image and the overlay in the base image.
  • the displayed object contours do not go away immediately, they gradually become weaker. For the pilot as a whole, this depiction looks like a stripe that moves vertically through his image, allowing the contours of obstacles to emerge (similar to a radar screen). This strip has the same frequency as the image build-up on the sensor. The closer this frequency approaches the value of 25 Hz, the better the ergonomics of the contour display.

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Abstract

Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte, wobei die Randkonturen der Hindernisse in einem Display für den Piloten sichtbar sind. <IMAGE>

Description

  • Zur sicheren Erfassung von Hindernissen, die dem Piloten eines tieffliegenden Fluggeräts oder eines Fahrzeugs gefährlich werden können, reichen die natürliche Sicht, Restlichtverstärker oder Nachtsichtgeräte häufig nicht aus. Hochauflösende, bildgebende Entfernungsbildsensoren auf Laserradarbasis liefern zusätzlich Hindernisinformation. Das Problem besteht in der Auswertung und ergonomisch optimalen Darstellung dieser Zusatzinformation im Rahmen eines Gesamtsytems zur Hinderniswarnung für den manuell fliegenden Piloten. Eine besonders wichtige Klasse von Hindernissen sind hierbei Leitungen.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Unterstützung des Piloten bei der sicheren Erfassung von Hindernissen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs und der Unteransprüche gelöst.
    Durch den Gegenstand der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
    • Optimale Ergonomie durch eine graphische (nicht symbolische) Darstellung der Hindernisse; ein Mensch kann anhand von Objektkonturen sehr viel besser klassifizieren als jeder Algorithmus.
    • Hinderniskonturen sind das graphisch "sparsamste" Mittel der Hindernisdarstellung ohne wesentlichen Informationsverlust; dies führt zu geringen Datenraten am Ausgang des Auswerterechners und zu einer minimalen Verdeckung des Basisbildes durch die zusätzliche Hindernisinformation.
    • Das Verfahren zur Konturenextraktion nutzt den Informationsgehalt des Entfernungsbildes optimal aus; dies führt zu einfachen Algorithmen, die auch bei komplexen Hindernisszenen robust arbeiten, und zu geringer Rechenleistung, die beim Auswerterechner erforderlich ist.
    • Für Entfernungsbildsensoren, deren Bildrate unter 25 Hz liegt, wurde eine Methode zur Synchronisation mit dem Basisbild entwickelt, die ohne Navigationsdaten auskommt.
  • Die Erfindung wird anhand von Fig. näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    die Systemkomponenten einschließlich des Inputs und Outputs,
    Fig. 2
    die Eigenschaft eines Entfernungsbildes, die Konturen von Hindernissen mit erhöhtem Kontrast abzubilden.
    Fig. 3
    ein Basisbild, ein falschfarbenkodiertes Entfernungsbild, die Anwendung eines Hochpaßfilters auf ein Entfernungsbild und ein Basisbild mit nachgezeichneten Randkonturen von Hindernissen.
  • Das erfindungsgemäße Hinderniswarnsystem besteht aus einem Basissensor (gegebenenfalls mit Restlichtverstärker, Nachtsichtgerät), einem Entfernungsbildsensor, einem Auswerterechner zur Entfernungsbildverarbeitung, einem Display mit Einblendfunktion für ein zweites Bild zum Basisbild (z.B. Head-Up-Display, Helmet-Mounted-Display) sowie optional einem Navigationssystem. Fig. 1 stellt diese Systemkomponenten einschließlich ihres In- und Outputs dar.
  • Da der Pilot nach dem Basisbild fliegt, wird die vom Entfernungsbildsensor zusätzlich generierte Hindernisinformation in dieses eingeblendet. Diese Zusatzinformation ist aus ergonomischen Gründen nicht alphanumerisch, symbolisch oder anderweitig abstrahiert, sondern besteht aus den realen, eindimensionalen Randkonturen der erfaßten Hindernisse mit denen die im bloßen Basisbild eventuell weniger gut abgebildeten Hinderniskonturen nachgezeichnet werden. Insgesamt vervollständigt das Hinderniswarnsystem das Basisbild, nach dem der Pilot fliegt oder fährt, durch die Randkonturen der Hindernisse im Entfernungsbild.
  • Dazu ist es erforderlich, daß der zusätzliche Sensor ein Entfernungsbildsensor ist. Denn nur das Entfernungsbild erlaubt die robuste Extraktion von Konturen beliebiger Hindernisse in Echtzeit. Dazu reicht es aus, im Entfernungsbild nach "Sprüngen" zwischen benachbarten Bildpixeln zu suchen. Ein stetig verlaufendes Gelände z.B. weist keine derartigen Sprünge auf. Jedes Hindernis im Gelände dagegen führt zu einem Sprung des Entfernungsmeßwertes an seinem Rand (Fig. 2). Hinderniskonturen sind daher im Entfernungsbild durch Hochpaßbilder extrahierbar.
  • Bei Entfernungsbildsensoren, die eine geringere Bildfrequenz als 25-30 Hz besitzen, ergibt sich bei der Einblendung in das Basisbild das Problem, daß wegen der raschen Änderung des Basisbildes die Lage einer einzublendenden Objektkontur nicht einfach aus dem Sensorbild übernommen werden kann. Es werden zwei Lösungen dieses Problems vorgeschlagen:
  • Bei Vorhandensein eines Navigationssystems kann die korrekte Lage der Hinderniskontur im Basisbild zu jedem Zeitpunkt aus dessen Lage im Entfernungsbild berechnet werden, unter Berücksichtigung des Bewegungsverlaufs des Fahrzeugs oder Fluggeräts in allen sechs Freiheitsgraden. Dazu ist lediglich eine entsprechende Software im Auswerterechner zu implementieren.
  • Eine kostengünstigere Lösung ist ohne Navigationssystem möglich. Der Entfernungsbildsensor generiert sein Bild in der Regel durch vertikalen oder horizontalen Scan, d.h. das Bild wird im Zeitverlauf zeilen- oder spaltenweise aufgebaut. Deshalb werden - z.B. bei vertikalem Scan - nur diejenigen Hinderniskonturen in das Basisbild eingeblendet, die in der aktuell generierten Entfernungsbildzeile auftreten. Deren Lage im Basisbild ist wegen der sehr geringen Totzeit zwischen der Erfassung im Entfernungsbild und der Einblendung im Basisbild bekannt. Beim weiteren Entfernungsbildaufbau verlöschen die eingeblendeten Objektkonturen nicht sofort sondern sie werden allmählich schwächer. Diese Darstellung wirkt auf den Piloten insgesamt wie ein vertikal durch sein Bild wandernder Streifen, der die Konturen von Hindernissen hervortreten läßt (ähnlich Radarschirm). Dieser Streifen besitzt dieselbe Frequenz wie der Bildaufbau beim Sensor. Je mehr sich diese Frequenz dem Wert 25 Hz nähert, desto besser wird die Ergonomie der Konturdarstellung.
  • Die Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Hinderniswarnsystems für Fahrzeuge oder tieffliegende Fluggeräte werden nachfolgend zusammengefaßt:
    • Verwendung geeigneter Software (digitale Hochpaßfilter) in Verbindung mit einer Entfernungsbildkamera zur datenmäßigen Erfassung der Umrisse ("Konturen") aller Hindernisse;
      • Robustheit, Echtzeitfähigkeit und geringe Komplexität der Software wegen des Informationsgehaltes des Entfernungsbildes
      • Extraktion graphischer statt symbolischer Information aus dem Entfernungsbild
      • hohe Datenredution durch Beschränkung auf die Konturen der Hindernisse.
  • Echtzeitbildfusion der gewonnenen graphischen Konturinformation mit dem Basisbild; nach dem der Pilot fährt/fliegt, als graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen Pilot und Hinderniswarnsystem;
    • optimale Ergonomie der Hinderniswarnung durch Einblendung realistischer, graphischer Hindernisinformation statt symbolischer Information
    • minimale Beeinträchtigung des Basisbildes durch Einblendung bloßer Umrisse von Hindernissen
    • Szeneninterpretation durch den Menschen, nicht durch die Maschine.
  • Echtzeitbildfusion innerhalb eines wandernden Streifens bei Entfernungsbildkameras mit Bildraten kleiner 25 Hz;
    • auf ein präzises Fahrzeugnavigationssystem für die fehlerfreie Bildfusion kann für eine kostengünstigere Lösung verzichtet werden.

Claims (4)

  1. Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte mit natürlicher Sicht aus einem Cockpitfenster oder mit einer Kamera, die auf einem Display ein Bild der vor dem Fluggerät liegenden Landschaft (Basisbild) liefert dadurch gekennzeichnet, daß ein Entfernungsbildsensor vorhanden ist, der mittels digitaler Hochpaßfilter einem Head-Up-Display oder dem Display des Basisbilds eindimensional Randkonturen der erfaßten Hindernisse im Landschaftsbild nachzeichnet und dadurch sichtbar macht.
  2. Verfahren zur Sichtbarmachung der Randkonturen von Hindernissen im Display eines Piloten, dadurch gekennzeichnet, daß digitale Hochpaßfilter auf das Entfernungsbild angewendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 mit Entfernungsbildsensoren, die eine geringere Bildfrequenz als 25 bis 30 Hz besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsbildsensor sein Bild zum Beispiel durch vertikalen Scan generiert und das Bild im Zeitverlauf zeilenweise aufgebaut wird, wobei nur diejenigen Hinderniskonturen in das Basisbild eingeblendet werden, die in der aktuell generierten Entfernungsbildzeile auftreten und deren Lage wegen der geringen Totzeit zwischen der Erfassung im Entfernungsbild und der Einblendung im Basisbild bekannt ist und daß beim weiteren Entfernungsbildaufbau die bereits eingeblendeten Objektkonturen allmählich schwächer werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 mit Entfernungsbildsensoren, die eine geringere Bildfrequenz als 25-30 Hz besitzen und bei Vorhandensein eines Navigationssystems dadurch gekennzeichnet, daß die korrekte Lage der Hinderniskontur im Basisbild zu jedem Zeitpunkt aus dessen Lage im Entfernungsbild berechnet wird, unter Berücksichtigung des Bewegungsverlaufs des Fluggeräts in allen sechs Freiheitsgraden.
EP97100308A 1996-02-13 1997-01-10 Verfahren zur Hinderniswarnung für tieffliegende Fluggeräte Expired - Lifetime EP0805362B1 (de)

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DE19605218A DE19605218C1 (de) 1996-02-13 1996-02-13 Hinderniswarnsystem für tieffliegende Fluggeräte
DE19605218 1996-02-13

Publications (3)

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EP0805362A3 EP0805362A3 (de) 1999-04-14
EP0805362B1 EP0805362B1 (de) 2003-03-26

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